고체가 기체가 되는것은 어떤 원리로 가능한것인가요?

Question

안녕하세요

고체상태의 물질이 액화를 거치지 않고 바로 기체가 되는 것을 보면 신기합니다.

제가 아는건 드라이아이스가 대표적인 예인데요.

고체의 무게가 기체가 된다는 것은 어떤 원리로 가능한 부분일까요?

Answer 1

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

고체가 기체가 되는 것은 상태 변화라는 물리 현상으로, 기체 상태로 변하는 과정에서 분자의 운동 에너지가 증가하면서 분자 간 거리가 멀어지고 나타나는 현상입니다.

고체는 분자 간 거리가 매우 가깝고 분자가 고정되어 있기 때문에 형태가 유지됩니다. 그러나 고체의 온도가 상승하면 분자의 운동 에너지가 증가하면서 분자 간 거리가 멀어지고, 이러한 분자의 운동 에너지가 고체 내부를 이루는 결합력을 극복하게 됩니다. 이러한 결합력을 극복할만큼 분자의 운동 에너지가 커지면 고체는 기체로 상태 변화합니다.

또한, 고체에서 기체로 상태 변화를 일으키는 것은 기압이나 온도, 습도 등의 환경 요인에 의해 일어날 수도 있습니다. 예를 들어, 얼음은 상온에서 고체로 존재하지만, 주변 온도나 기압이 일정 수준 이상으로 상승하면 얼음은 수증기로 상태 변화합니다. 이러한 상태 변화는 물질의 분자 간 상호작용과 환경 요인에 따라 결정됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.

고체에서 기체로 바로 상태변화가 일어납니다.

승화하는 이유는 증기압(~휘발성) 때문입니다. 증기압은 고체가 기체가 되려고하는 정도라고 생각하시면 됩니다.

물질에 따라 승화의 조건이 있으며, 이 조건을 충족할 경우 승화가 잘 일어납니다.(삼중 그래프를 확인하시면 더 잘 이해갑니다.)

고체상태는 분자들이 규칙적인 배열을 가지고 결합력을 가진 상태로 존재합니다. 액체는 분자들의 규칙적인 배열이 깨지고 기체보다는 덜하지만 자유롭게 움직입니다. 기체의 경우는 분자들이 아주 자유롭게 움직입니다. 거의 분자 하나의 단위로 각자 움직인다고 볼 수 있습니다.

만약 고체상태에서 분자하나가 떨어져 나가면 이 분자는 기체가 되는 것입니다. 그리고 물질마다 고체 상태에서 분자들이 떨어져 기체가 되는 조건이 존재하며 이러한 조건이 강해지면 증기압이 강해진다 생각하시면 됩니다. 물의 경우도 증기압이 존재하며, 얼음에서 수증기가 되기도 합니다. 온도가 낮고 압력이 1기압보다 훨씬 낮게 되면 얼음에서 수증기로 변하죠. 추운 겨울에 온도가 낮아 눈에서 수증기가 되기도 합니다.

위 그림에서 보시면 빨간선의 조건은 겨울의 영하의 온도라고 생각하시면 됩니다. 이 때 고체에서 기체로 승화가 일어날 수 있습니다.

또한, 일상생활에서는 드라이아이스에서 흔히 승화가 잘 일어나는데, 드라이아이스는 1기압과 드라이아이스가 어는점 이하가 되면 승화가 잘 일어납니다. 드라이아이스의 어는점은 영하 56.6도이며 드라이아이스는 이보다 낮은 온도에서 만들어졌습니다. 그래서 드라이아이스의 승화가 잘 일어납니다.